一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统及方法与流程

1.本发明涉及油田加热设备智能控制技术领域，尤其是涉及一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统。


背景技术：

2.油田加热炉/锅炉是油气集输系统中处理、输送等环节应用最多的一种油田专用设备，其作用是将原油、天然气、油气混合物等加热至工艺所需要的温度，满足油气集输工艺及加工工艺的要求，是一种非常重要的油田生产设施。
3.目前，国内很多油田场站都在进行升级改造，油田用加热炉/锅炉的数量随之增多，相应的管理和维护难度大幅提升。目前应用较多的控制方式是一对一模式，即一台加热炉/锅炉配一套就地控制系统，就地控制系统只控制与其连接的加热炉/锅炉，与站内其他加热炉/锅炉之间没有关联。这种方式存在一些缺点，首先，当加热炉/锅炉上下游工艺参数需要根据站内所有加热炉/锅炉运行情况进行综合判断时无法实现；其次，许多就地控制系统没有数据存储，分析，上传等功能；最后，目前的就地控制系统大多还停留在基本运行控制，缺乏精细化管理功能。
4.因此，需要研究一种既可以对单台加热炉/锅炉进行独立控制，又可以对多台加热炉/锅炉进行集中智能精细化管控的设备，来满足现代化油田站场加热炉/锅炉现场复杂多变的应用需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，
6.一方面，本发明提供了一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统，所述系统包括数据配置采集模块、规则引擎模块、单炉控制模块、数据存储模块以及数据输出订阅模块，其中，
7.所述数据配置采集模块，用于用户账号配置，系统关键字段自定义、远程控制设备/远程控制设备分组自定义以及实例创建/安装，以及用于采集加热炉/锅炉的实时数据；
8.所述规则引擎模块，用于根据业务规则设定规则条件，基于所述实时数据，在设定的规则条件中进行过滤和判断，将判断结果发送给所述单炉控制模块；
9.所述单炉控制模块，用于对加热炉/锅炉的基本工艺流程逻辑进行控制，基于所述规则引擎模块的判断结果，进行温度控制、氧含量控制或者报警处理；
10.所述数据存储模块，用于存储所述实时数据、规则条件及报警信息；
11.所述数据输出订阅模块，用于过滤实时采集的数据，当设备正常运行且实时数据输出满足用户设定的条件时，则会将数据转发至kafka或mqtt实时数据；
12.所述实时数据包括模拟量参数和数字量参数，所述模拟量参数包括炉体/出口温度、燃气流量、燃气压力、炉体液位、炉体压力、管道压力、环境温度、氧含量、排烟温度以及
电动阀门开度；所述数字量参数包括各个阀、开关以及接触器的开闭状态。
13.进一步地，所述数据配置采集模块包括配置单元、自定义单元、创建/安装实例单元以及采集单元，其中，
14.所述配置单元，用于系统管理员为用户配置账号；
15.所述自定义单元，用于用户对系统关键字段、远程控制设备、远程控制设备分组及集控设备进行自定义，定义远程控制设备还包括定义所述远程控制设备下的点位数据、地址和类型；
16.所述创建/安装实例单元，用于用户创建/安装实例，在创建实例时，所述自定义单元一并定义集控产品、实例设备组及集控设备；所述安装实例为异步操作，需输入所述集控设备的地址和账户密码；
17.所述采集单元，用于采集加热炉/锅炉的实时数据。
18.进一步地，所述安装实例若成功，则将所述定义好的所述远程控制设备作为子设备角色绑定至当前实例的集控设备下，所述远程控制设备被分配至通信协议服务下，并输入所述远程控制设备地址进行通信；反之，若安装失败，则需删除实例并重新安装，或者联系管理员。
19.进一步地，所述规则引擎模块包括设定单元及判断单元，其中，
20.所述设定单元，用于根据业务规则进行设定规则条件，所述规则条件可根据业务规则情况进行编辑修改；
21.所述判断单元，用于基于实时数据，判断是否符合所述规则条件，若符合所述规则条件，则进一步根据所述规则条件将判断结果传输给所述单炉控制模块；反之，若不符合所述规则条件，则不执行动作。
22.进一步地，所述单炉控制模块包括温度控制单元、氧含量控制单元及报警单元，其中，
23.所述温度控制单元，用于根据所述规则引擎模块对炉体/出口温度的判断结果，对所述加热炉/锅炉采取提火或者降火动作，
24.所述氧含量控制单元，用于根据所述规则引擎模块对氧含量值的判断结果，对所述加热炉/锅炉采取提氧或者降氧动作；
25.所述报警单元，用于当所述规则引擎模块判断所采集的实时数据异常时，更新报警信息列表，以及输出报警信息和声光提示。
26.进一步地，所述提火或者降火动作，是指当炉体/出口温度小于或者大于设定值时，加大或者减小主燃气阀开度，根据燃气阀开度，按照比例加大或者减小主空气阀开度；
27.所述提氧或者降氧动作，是指当氧含量小于或者大于设定值时，加大或者减小微燃气阀开度，再根据当前燃气流量，按照比例加大或者减小微空气阀开度。
28.进一步地，所述系统采用双mcu硬件架构，其中mcu1采用高性能单片机，主要用于负责信号输入采集和驱动输出；mcu2采用高性价比soc，主要用于负责加热炉/锅炉智能集中工艺流程逻辑控制、数据采集、数据处理和存储、协议转换、信息传输、智能算法模型、微服务等工作。mcu1与mcu2之间通过片上串口uart0连接。
29.另一方面，本发明还提供了一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控方法，所述方法包括以下步骤：
30.为用户配置账号，用户根据需要进行系统关键字段自定义，对远程控制设备/远程控制设备分组自定义，用户创建/安装实例；
31.采集实时数据；
32.根据业务规则设定的规则条件，基于实时数据，在所述规则条件中进行过滤和判断；
33.根据判断结果对加热炉/锅炉进行温度控制、氧含量控制或者报警处理；
34.存储所述实时数据、规则条件及报警信息；
35.过滤实时采集数据，当设备正常运行且实时数据满足用户设定的条件时，将数据转发至kafka或mqtt实时数据；
36.所述实时数据包括模拟量参数和数字量参数，所述模拟量参数包括炉体/出口温度、燃气流量、燃气压力、炉体液位、炉体压力、管道压力、环境温度、氧含量、排烟温度以及电动阀门开度；所述数字量参数包括各个阀、开关以及接触器的开闭状态。
37.进一步地，在所述步骤“在所述规则条件中进行过滤和判断”中，若所述实时数据符合所述设定的规则条件，则进一步根据所述规则条件执行控制处理，触发修改另一个或多个远程控制设备下点位值的动作，来达到现场远程控制设备和传感器的智能规则报警效果，但若动作值已经为设定值则不再触发；反之，若不符合条件则不执行动作。
38.进一步地，在所述步骤“根据判断结果对加热炉/锅炉进行温度控制、氧含量控制或者报警处理”中，具体为，
39.当所述模拟量参数超出设定的上下限值或数字量参数不符合预期有效状态，则为异常结果，将进行报警处理；
40.当所述模拟量参数在设定的上下限值且数字量参数符合预期有效状态，则进入温度控制处理，根据所述炉体/出口温度是否小于设定值采取提火或者降火动作；
41.当所述温度控制处理后，则进入氧含量控制处理，根据所述氧含量是否小于设定值采取提氧或者降氧动作。
42.通过本发明提供的一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统及方法，既可以实现对单台加热炉/锅炉进行独立控制，又可以对多台加热炉/锅炉进行集中智能精细化管控。另外，本发明提供的智能集控系统中，信号接口和通信接口数量丰富、形式多样，具备较高的可靠性、安全性、智能性，还可根据用户需求对系统关键字段、远程控制设备分组等进行自定义，灵活性较高，可以较好的满足现代油田站场加热炉/锅炉现场复杂多变的应用需求。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明实施例提供的一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统的系统结构示意图；
45.图2为本发明实施例中数据配置采集模块的结构示意图；
46.图3为本发明实施例中规则引擎模块的结构示意图；
47.图4为本发明实施例中单炉控制模块的结构示意图；
48.图5为本发明实施例中单炉控制模块的工作方法流程图；
49.图6为本发明实施例中系统所采用双mcu硬件架构结构示意图；
50.图7为本发明实施例提供的一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控方法流程图。
具体实施方式
51.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.一方面，本发明实施例提供了一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统，所述系统包括数据配置采集模块1、规则引擎模块2、单炉控制模块3、数据存储模块4以及数据输出订阅模块5，其中，
53.所述数据配置采集模块1，用于用户账号配置，系统关键字段自定义、远程控制设备/远程控制设备分组自定义以及实例创建/安装，以及用于采集加热炉/锅炉的实时数据；
54.所述规则引擎模块2，用于根据业务规则设定规则条件，基于所述实时数据，在设定的规则条件中进行过滤和判断，将判断结果发送给所述单炉控制模块3；
55.所述单炉控制模块3，用于对加热炉/锅炉的基本工艺流程逻辑进行控制，基于所述规则引擎模块2的判断结果，进行温度控制、氧含量控制或者报警处理；
56.所述数据存储模块4，用于存储所述实时数据、规则条件及报警信息；
57.所述数据输出订阅模块5，用于过滤实时采集的数据，当设备正常运行且实时数据输出满足用户设定的条件时，则会将数据转发至kafka或mqtt实时数据；
58.所述实时数据包括模拟量参数和数字量参数，所述模拟量参数包括炉体/出口温度、燃气流量、燃气压力、炉体液位、炉体压力、管道压力、环境温度、氧含量、排烟温度以及电动阀门开度；所述数字量参数包括各个阀、开关以及接触器的开闭状态。
59.本发明实施例中所述数据配置采集模块1的结构示意图如图2所示，包括配置单元11、自定义单元12、创建/安装实例单元13以及采集单元14，其中，
60.所述配置单元11，用于系统管理员为用户配置账号；
61.所述自定义单元12，用于用户对系统关键字段、远程控制设备、远程控制设备分组及集控设备进行自定义，定义远程控制设备还包括定义所述远程控制设备下的点位数据、地址和类型；
62.所述创建/安装实例单元13，用于用户创建/安装实例，在创建实例时，所述自定义单元一并定义集控产品、实例设备组及集控设备；所述安装实例为异步操作，需输入所述集控设备的地址和账户密码；
63.所述采集单元14，用于采集加热炉/锅炉的实时数据。
64.所述数据配置采集模块支持modbus-tcp、modbus-rtu、opc等多种协议，主要负责协议数据息的转换和解码操作，实现加热炉/锅炉的安全监控和控制操作；集合指令下发、数据采集、数据处理和存储、协议转换、信息传输、微服务等工作。所述数据配置采集模块首
先由系统管理员进行分配账号，进行登录。登录成功后管理员账号可以在此进行分配账号，由用户账号登录操作各功能模块。登录成功后进行系统关键字段自定义；其次创建实例，在创建实例的同时系统会一并定义集控产品、实例设备组、集控设备。接着就是安装实例，需输入集控设备地址和账号密码，安装实例为异步操作，查看安装实例日志是否成功，如果实例安装成功后会运行各种协议适配器和数据服务，此时集控设备为在线状态；如果实例安装失败则需要删除实例并重新安装或直接联系管理员。接下来定义远程控制设备(如plc)和远程控制设备分组，然后定义远程控制设备下的点位数据、地址和类型，然后将定义好的远程控制设备作为子设备角色绑定至当前实例的集控设备下，然后将远程控制设备分配至通信协议(如modbus协议)服务下，并输入远程控制设备地址进行通信。
65.本发明实施例中所述规则引擎模块2的结构示意图如图3所示，包括设定单元21及判断单元22，其中，
66.所述设定单元21，用于根据业务规则进行设定规则条件，所述规则条件可根据业务规则情况进行编辑修改；
67.所述判断单元22，用于基于实时数据，判断是否符合所述规则条件，若符合所述规则条件，则进一步根据所述规则条件将判断结果传输给所述单炉控制模块3；反之，若不符合所述规则条件，则不执行动作。
68.本发明实施例还提供了所述单炉控制模块3的结构示意图，包括温度控制单元31、氧含量控制单元32及报警单元33，其中，
69.所述温度控制单元31，用于根据所述规则引擎模块2对炉体/出口温度的判断结果，对所述加热炉/锅炉采取提火或者降火动作，
70.所述氧含量控制单元32，用于根据所述规则引擎模块2对氧含量值的判断结果，对所述加热炉/锅炉采取提氧或者降氧动作；
71.所述报警单元33，用于当所述规则引擎模块2判断所采集的实时数据异常时，更新报警信息列表，以及输出报警信息和声光提示。
72.所述单炉控制模块3的具体工作流程如图5所示，首先，根据采集所有接入的模拟量参数，包括炉体温度或出口温度、燃气流量、燃气压力、炉体液位、炉体压力、管道压力、环境温度、氧含量、排烟温度、电动阀门开度等，判断这些模拟量参数是否超出了设定的上下限值；如果没超过，继续采集所有接入的数字量参数，包括各个阀的开闭状态、开关的开闭状态、接触器的开闭状态等，判断这些数字量参数是否符合预期的有效状态，如果全都符合，进入温度控制阶段；先判断炉体温度或出口温度是否小于设定值(控制目标)，如果小于设定值，进行提火动作，先根据设定加大主燃气阀开度，在根据燃气阀开度，按照比例加大主空气阀开度；如果大于设定值，进行降火动作，先根据设定减小主燃气阀开度，在根据燃气阀开度，按照比例减小主空气阀开度；温度控制阶段结束后，进入氧含量控制阶段；先判断氧含量是否小于设定值(控制目标)，如果小于设定值，进行提氧动作，先根据设定加大微燃气阀开度，在根据当前燃气流量，按照比例加大微空气阀开度；如果大于设定值，进行降氧动作，先根据设定减小微燃气阀开度，在根据当前燃气流量，按照比例减小微空气阀开度；氧含量控制阶段结束后，将参数和报警信息存储到eeprom中，重新开始采集模拟量和数字量参数，循环上述过程。当采集到的模拟量或数字量参数有异常，则进入报警处理阶段，先根据判断出的模拟量或数字量报警位置更新报警信息列表，然后输出报警信息和声光提
示，再判断报警属于什么级别，如果属于严重报警，则进行停炉操作，等待人工复位或重启；如果属于一般报警，则进入温度控制阶段。
73.本发明实施例中系统所采用双mcu硬件架构结构示意图，如图6所示，所述系统采用双mcu硬件架构，其中mcu1采用高性能单片机，主要用于负责信号输入采集和驱动输出；mcu2采用高性价比soc，主要用于负责加热炉/锅炉智能集中工艺流程逻辑控制、数据采集、数据处理和存储、协议转换、信息传输、智能算法模型、微服务等工作。mcu1与mcu2之间通过片上串口uart0连接。与mcu1相连的信号包括四种形式，其中，模拟输入信号通过信号调理转换电路与mcu1的adc接口相连；模拟输出信号通过信号转换输出电路与mcu1的dac接口相连；数字输入信号通过信号隔离转换电路与mcu1的gpio接口相连；数字输出信号通过信号转换驱动电路与mcu1的gpio接口相连；eeprom芯片与mcu1的iic接口相连。lan接口通过协议栈芯片与mcu2的gpio接口相连；usb接口通过usb驱动器芯片与mcu2的gpio接口相连；rs485接口通过rs485驱动器芯片与mcu2的uart4接口相连；4g/5g信号通过4g/5g模组与mcu2的uart3接口相连；wifi信号通过wifi模组与mcu2的gpio接口相连；蓝牙信号通过蓝牙模组与mcu2的gpio接口相连；sdram芯片及sdcard与mcu2的gpio接口相连。
74.另一方面，本发明实施例还提供了一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控方法流程图，如图7所示，所述方法包括以下步骤：
75.步骤s11，为用户配置账号，用户根据需要进行系统关键字段自定义，对远程控制设备/远程控制设备分组自定义，用户创建/安装实例，采集实时数据；
76.步骤s12，根据业务规则设定的规则条件，基于实时数据，在所述规则条件中进行过滤和判断；
77.步骤s13，根据判断结果对加热炉/锅炉进行温度控制、氧含量控制或者报警处理；
78.步骤s14，存储所述实时数据、规则条件及报警信息；
79.步骤s15，过滤实时采集数据，当设备正常运行且实时数据满足用户设定的条件时，将数据转发至kafka或mqtt实时数据。
80.其中，所述实时数据包括模拟量参数和数字量参数，所述模拟量参数包括炉体/出口温度、燃气流量、燃气压力、炉体液位、炉体压力、管道压力、环境温度、氧含量、排烟温度以及电动阀门开度；所述数字量参数包括各个阀、开关以及接触器的开闭状态。
81.其中，在所述步骤“在所述规则条件中进行过滤和判断”中，若所述实时数据符合所述设定的规则条件，则进一步根据所述规则条件执行控制处理，触发修改另一个或多个远程控制设备下点位值的动作，来达到现场远程控制设备和传感器的智能规则报警效果，但若动作值已经为设定值则不再触发；反之，若不符合条件则不执行动作。
82.其中，在所述步骤“根据判断结果对加热炉/锅炉进行温度控制、氧含量控制或者报警处理”中，具体为，
83.当所述模拟量参数超出设定的上下限值或数字量参数不符合预期有效状态，则为异常结果，将进行报警处理；
84.当所述模拟量参数在设定的上下限值且数字量参数复合预期有效状态，则进入温度控制处理，根据所述炉体/出口温度是否小于设定值采取提火或者降火动作；
85.当所述温度控制处理后，则进入氧含量控制处理，根据所述氧含量是否小于设定值采取提氧或者降氧动作。
86.综上所述，通过本发明提供的一种用于油田加热炉/锅炉的智能集控系统及方法，既可以实现对单台加热炉/锅炉进行独立控制，又可以对多台加热炉/锅炉进行集中智能精细化管控。另外，本发明提供的智能集控系统中，信号接口和通信接口数量丰富、形式多样，具备较高的可靠性、安全性、智能性，还可根据用户需求对系统关键字段、远程控制设备分组等进行自定义，灵活性较高，可以较好的满足现代油田站场加热炉/锅炉现场复杂多变的应用需求。
87.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。